基于最小阶跃扰动的负荷切换路径寻优方法与流程

1.本发明属于压缩机负荷调节技术领域，涉及了一种基于最小阶跃扰动的负荷切换路径寻优方法。


背景技术：

2.当工艺变动或者气源波动时，为了保持工艺稳定同时实现压缩机经济运行，都需要对压缩机气负荷进行调节以适应不断变化的用气需求，负荷的调节过程实际上为当前负荷到预定负荷的切换。常用的调节方式有驱动机转速调节、部分行程压开进气阀调节、气缸卸载阶梯调节等。
3.部分行程压开进气阀调节是通过在进气阀上加装卸荷器使得吸气阀关闭时刻发生延后，让气体主动回流从而减小排气量同时回流气体为低压状态不经过压缩，因此在这种调节方式下能有效降低功耗。但该方法每个气阀上均需要安装精密的伺服控制装置驱动卸荷器动作，动作频次必须要和压缩机气阀的频次相当，这对整个驱动装置的响应速度和寿命都有很高的要求。这些缺点限制了该方法的应用范围，目前多因应用于低速压缩机上，无法在中高转速压缩机上实现有效的调节。
4.驱动机转速调节和气缸卸载阶梯调节是常规的两种调节方法。由于转速降低容易造成机组润滑不充分、振动增加、输出力矩减小等不良影响，转速调节范围有限。如若再想降低排气量，需要其他的辅助调节措施。气缸卸载阶梯调节只能提供阶梯式有级调节，如对于两缸双作用压缩机可实现100％、75％、50％、25％、0五档调节。驱动机转速调节和气缸卸载阶梯调节组合调节克服了两种技术的缺陷，可实现0～100％范围内负荷的连续无级调节。但在这种组合调节方式下要实现当前负荷到另一个负荷的切换需要同时调整缸卸载阶梯调节档位和转速值，容易造成较大的工艺波动，因此实现最小阶跃扰动的负荷切换是改善调节性能、提升各负荷段切换调节能力的有效措施。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有负荷调节技术的不足，提供一种基于最小阶跃扰动的负荷切换路径寻优方法，解决负荷切换机组工艺波动大的问题，改善调节性能、提升各负荷段切换调节能力。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.1)设第一级气缸数量为k，气缸均为双作用式，则通过气缸卸载阶梯调节可实现气量的2k 1级阶梯调节，每一级的调节步长百分比为
8.2)设往复压缩机工作气量负荷比为η(η∈[0,1])，则得到调转速和气缸卸载组合调节的直线族为其中i(i＝0,1,
…
，2k)为参数，n
max
为压缩机额定转速，n(n∈[n
min
,n
max
])为压缩机实际转速(r/min)，n
min
为转速调节的最小值。令n＝n
min
，得到调转速和
气缸卸载组合调节的直线族负荷最小值边界点为其中i＝0,1,
…
，2k。
[0009]
3)设压缩机当前工作状态点ⅰ的坐标为ni为压缩机当前转速，ηi为压缩机当前气量负荷，由点坐标进一步求得当前工作状态点所在直线参数i＝ξi；已知压缩机调节的目标负荷为η
ii
，将其带入2)中的直线族方程求得解的集合为[ξ
ii-j
,n
ii-j
]，其中ξ
ii-j
为所在直线参数，n
ii-j
为目标调节转速，j为正整数参数。
[0010]
4)计算与当前工作状态点所在直线参数最近的目标负荷解：min{|ξ
i-ξ
ii-j
}，其中j＝1,2,3,
…
，；假定求得的目标解为[ξ
ii
,n
ii
]，则得到目标工作状态点ⅱ的坐标为
[0011]
5)由当前工作状态点ⅰ所在直线参数i＝ξi得到其直线方程再由目标工作状态点ⅱ所在直线参数i＝ξ
ii
得到其直线方程确定允许的气量负荷超调量ε，通常取ε∈(0,0.15]，工艺调节的精度要求越高ε的取值越小，比较ηi和η
ii
的大小：
[0012]
(1)若ηi＝η
ii
，负荷相等不需要切换；
[0013]
(2)若ηi＞η
ii
，则在目标工作状态点ⅱ所在直线上计算得到负荷阶跃调节点a的坐标为进一步在当前工作状态点ⅰ所在直线上计算得到负荷阶跃调节点b的坐标为最终得到在允许气量负荷超调量下的最小阶跃扰动负荷切换路径为当前工作状态点
ⅰ→
当前工作状态点ⅰ所在直线
→
负荷阶跃调节点b
→
负荷阶跃调节点a
→
目标工作状态点ⅱ；
[0014]
(3)若ηi＜η
ii
，则在当前工作状态点ⅰ所在直线上计算得到负荷阶跃调节点a的坐标为进一步在目标工作状态点ⅱ所在直线上计算得到负荷阶跃调节点b的坐标为最终得到在允许气量负荷超调量下的最小阶跃扰动负荷切换路径为当前工作状态点
ⅰ→
当前工作状态点ⅰ所在直线
→
负荷阶跃调节点a
→
负荷阶跃调节点b
→
目标工作状态点ⅱ；
[0015]
本发明涉及的负荷切换路径寻优方法实现了最小阶跃扰动的负荷切换，有效减小了负荷切换中的阶跃波动，改善了调节性能。
附图说明：
[0016]
图1是具有k个双作用气缸的压缩机转速和气缸卸载组合调节曲线图；
[0017]
图2是2缸压缩机转速和气缸卸载组合调节曲线图；
[0018]
图3是2缸压缩机转速和气缸卸载组合调节模式下的负荷切换路径；
[0019]
图4是2缸压缩机当ηi＞η
ii
时的最小阶跃扰动负荷切换路径；
[0020]
图5是2缸压缩机当ηi＞η
ii
时的最小阶跃扰动负荷切换路径；
具体实施方式
[0021]
以下结合附图对本发明的原理和实施方式详细加以描述。
[0022]
a)参见附图1，针对一级有k个双作用气缸的压缩机，则通过气缸卸载阶梯调节可实现气量负荷的2k 1级阶梯调节，每一级的调节步长百分比为在气缸卸载第i档阶梯负荷下，结合转速调节得到组合调节曲线其中ii(i＝0,1,
…
，2k)为参数，n
max
为压缩机额定转速，横坐标为转速百分比纵坐标为负荷百分比η。在第i档阶梯负荷下，随着转速的减小，负荷从最大值逐渐减小至负荷最小值边界点mi：其中n
min
为转速调节的最小值。
[0023]
b)参见附图2，以一台一级两缸双作用式往复压缩机为例，调转速和气缸卸载组合调节下得到4条调节线，先由气缸卸载阶梯调节完成0、25％、50％、75％、100％的分档调节，在每一档下再通过降低转速实现负荷从最大到最小值边界点的无级连续调节。在本实例中，压缩机n
max
＝1000rpm，m1～m4点所对应的转速值为600rpm。例如在100％调节档下，所有气缸均满载，通过调节转速实现负荷从100％到m4点(60％,60％)的调节；在75％调节档下，一个气缸的一侧卸载，其他缸均满载，通过调节转速实现负荷从75％到m3点(60％,45％)的调节。在两条调节线上存在一段重叠区域，参见附图2中的方格区域，意味着可通过不同的气缸卸载和转速组合实现同一负荷量的调节。
[0024]
c)参见附图3，以当前工作状态点ⅰ位于坐标(80％,80％)、目标工作状态点ⅱ位于坐标(70％,35％)为例，负荷的切换路径有：
[0025]
路径一：首先，在当前工作状态点ⅰ保持转速不变通过气缸卸载阶跃至直线
③
的(80％,40％)点，再通过调节转速沿着所直线
③
降至目标工作状态点ⅱ，该路径下负荷的阶跃最大，阶跃值为40％，调节中负荷最低点为ⅱ点，超调量为0；该路径为目前常用的切换路径，调节方法简单，但切换过程中的阶跃波动最大，对工艺管路的冲击大。
[0026]
路径二：首先，通过调节转速沿着当前工作状态点ⅰ所在直线
①
降低至m4(60％,60％)点，在m4点保持转速不变通过气缸卸载阶跃至m2点(60％,30％)，再从m2点通过调节转速沿着所直线
③
升至目标工作状态点ⅱ(70％,35％)，该路径下负荷的阶跃最小，阶跃值为30％，调节中的负荷最低点为m2点，但调节过程中会存在低于目标值的负荷段，产生了一定的超调量；
[0027]
路径三：通过调节转速沿着当前工作状态点ⅰ所在直线
①
降低至m4点与状态点ⅰ之间的任意一点，由该点保持转速不变通过气缸卸载阶跃至直线
③
，再通过调节转速沿着所直线
③
调节至目标工作状态点ⅱ。该路径下负荷的阶跃介于路径一和路径二之间。
[0028]
d)参见附图4，当ηi＞η
ii
时，则在目标工作状态点ⅱ所在直线上计算得到负荷阶跃
调节点a的坐标为已知附图4实例中点ⅰ坐标(80％,80％)，点ⅱ坐标(70％,35％)，ε＝3％，则a的坐标为(64％,32％)；进一步在当前工作状态点ⅰ所在直线上计算得到负荷阶跃调节点b的坐标为即b的坐标为(64％,64％)；最终得到在允许气量负荷超调量ε＝3％下的最小阶跃扰动负荷切换路径为当前工作状态点
ⅰ→
负荷阶跃调节点b
→
负荷阶跃调节点a
→
目标工作状态点ⅱ。该路径相比于常用的直接阶跃式切换路径阶跃扰动减小了8％，超调量满足工艺调节需求。
[0029]
e)参见附图5，当ηi＜η
ii
时，则在当前工作状态点ⅰ所在直线上计算得到负荷阶跃调节点a的坐标为已知附图5实例中点ⅰ坐标(84％,21％)，点ⅱ坐标(66％,33％)，ε＝3％，则a的坐标为(72％,18％)；进一步在目标工作状态点ⅱ所在直线上计算得到负荷阶跃调节点b的坐标为即b的坐标为(72％,36％)；最终得到在允许气量负荷超调量ε＝3％下的最小阶跃扰动负荷切换路径为当前工作状态点
ⅰ→
负荷阶跃调节点a
→
负荷阶跃调节点b
→
目标工作状态点ⅱ。同样该路径相比于常用的直接阶跃式切换路径阶跃扰动减小了3％，超调量满足工艺调节需求。
[0030]
本发明涉及的负荷切换路径寻优方法实现了最小阶跃扰动的负荷切换，相比于常用的直接阶跃式切换，有效减小了负荷切换中的阶跃波动，当前负荷和目标负荷差值越大该切换方法优化效果越好。